ECO-BACK조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : LID in UOS(캠퍼스 내 저영향개발 적용)

영문 : LID in UOS(Application of Low Impact Development on Campus)

과제 팀명

ECO-BACK

지도교수

오희경 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 20178900** 김*구(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 20178900** 김*호

서울시립대학교 환경공학부·과 20178900** 정*석

서울시립대학교 환경공학부·과 20178900** 유*석

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

내용

◇ 지면을 아스팔트 및 시멘트로 포장하고, 침수 방지를 위해 강우 유출이 빠르게 이루어지도록 설계하는 등 도시는 인간의 편의성을 증가시키는 방향으로 발전함
◇ 하지만 포장면은 토양으로 강우가 침투되는 것을 막아 지하수와 증발산량을 저하시키며 토양의 여과를 거치지 못하고 빠르게 유출된 물은 비점오염원으로서 수질을 오염시킴
◇ 앞서 언급한 환경에 대한 영향을 최소화하는 LID (저영향개발) 기술이 적용되는 추세임
◇ 서울시립대학교 캠퍼스 내 상황을 파악, 이후 LID (저영향개발) 기술을 적용
◇ 서울시립대학교의 토지, 우수 관거 위치 및 지형도 등을 확보하여 현황 파악
◇ 서울시립대학교에 LID 기술이 적용될 지점과 해당 지점에 적용될 기술 선정
◇ 선정된 기술을 캠퍼스 내 특성(지질, 지형 등)에 적합하게 개선

개발 과제의 배경

내용

◇ 현재 한국의 도시화율은 약 90.9%(국토해양부, 2010)이며, 도시는 지면을 아스팔트 및 시멘트로 포장하고, 침수 방지를 위해 강우 유출이 빠르게 이루어지도록 설계하는 등 편의성을 위해 불투수면적을 늘리는 방향으로 발전
◇ 이에 도시 내 우수가 빠르게 오우수 관거 등으로 배제됨에 따라, 첨두유량 증가에 따른 도시홍수, 지하침투 감소에 따른 지하수 고갈 및 하천 유지용수 부족, 비점오염물질 증가에 따른 수질오염, 도시열섬현상 등의 물순환 왜곡현상이 일어나고 있다.
◇ 이러한 문제에 대한 대책으로 환경에 대한 영향을 최소화하는 LID(저영향개발) 기술이 국내외에서 적용되는 추세이다. 
◇ LID 기술은 우수의 침투를 유도해 지하수 고갈을 예방하고 도시 홍수 피해 및 비점오염물질을 농도 역시 저감할 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

내용

◇ 본 과제는 LID 기술을 서울시립대학교 캠퍼스에 적용하는 것을 목표로 하고 이를 위해 다음의 내용을 수행할 것임
◇ 서울시립대학교의 토지 피복, 우수 관거 위치 및 지형도 등을 확보하여 서울시립대학교 현황 파악
◇ 서울시립대학교에서 LID 기술 우선적으로 적용될 지점과 해당 지점에 적용될 기술 선정
◇ 선정된 기술을 서울시립대학교의 특성에 적합하게 개선

기술개발 일정 및 추진체계

구성원 및 추진체계

내용

◇ 김민구- 국내외 LID 적용 사례 조사, LID 적용 주차장 모형 제작, 과제제안서 발표, 캐드 모형 제작
◇ 김진호- LID 공법 및 설치과정 조사, LID 공법 상세설계 정량계산, 최종보고서 발표
◇ 정봉석- 설계 방향 구체화, LID 적용 주차장 모형 제작, 개념설계보고서 발표, SWMM
◇ 유진석- LID 설치 배경 조사, 건설공학관 정량설계, 상세설계보고서 발표, 캐드 모형 제작

설계

설계사양

내용

개념설계안

내용

◇자연과학관: 주차장의 경계면에 가로수와 화단이 설치되어 있어 식생을 활용한 물 정화 후 지하로의 침투에 적합, 주위 토양지대로 인해 토사가 발생할 가능성이 높아 토사방지 시설 필수
◇건설공학관: 주차장 규모가 교내에서 큰 편에 속해 투수성 포장 적용시 침투면적 많음, 주차장 면적이 넓기 때문에 폭 50cm의 콘크리트면이 길게 있음 – 침투도랑
◇선정한 9개 주차장 모두 투수성 포장 적용 – 유출저감량 산정

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

◇고탄소 기후변화 시나리오에서 100년 빈도 강우강도의 발생이 향후 20년간 29% 증가, 평균적으로30년 빈도 강우강도 처리량으로 설계된 서울시립대학교는 이를 처리하는데 어려움을 겪을 것임. 따라서100년 빈도 강우강도 설계강우량 - 30년 빈도 강우강도 하수관 설계(98.297mm/hr-85.110mm/hr)만큼의 유량을 LID가 처리할 수 있다면 충분한 설계 정당성을 가질 것임.

건설공학관 – 투수성포장

1) 초기 조건: -투수율 39% -배수면적: 1616㎡ -설계강우량: 98.29742mm/day
2) 침투용량 결정: -초기 10분: 유출량 없음, 전량 침투 -이후: 39% 만큼만 침투 가능
3) 최소 수질처리용량: 100년빈도 강우 – 하수관거 처리량 = (98.297-85.110)mm/hr * 1616㎡=21.31m³/hr
4) 투수성포장의 실제 유출 저감량: =1616 ㎡ * (5/6) * 98.29742mm/hr * 0.39 + 1616 ㎡ * (1/6) * 98.29742mm/hr = 78.10m³/hr 따라서 투수성포장면의 유출 저감량이 최소 수질처리용량보다 큼

건설공학관 – 침투도랑

1) 초기 조건: -투수율 39% -배수면적: 41.02 ㎡(실측) -설계강우량: 98.29742mm/day
2) 침투도랑 수질처리용량 식: WQv = Rv * A * P/1000
3) 최소 수질처리용량: 100년빈도 강우 – 하수관거 처리량 = (98.297-85.110)mm/hr * 41.02㎡ =0.54m³/hr
4) 침투도랑의 실제 유출 저감량: WQv = (0.05 + 0.009*39) * 41.02 ㎡ * 98.2947/1000 =1.62m³/hr 따라서 침투도랑의 유출 저감량이 최소 수질처리용량보다 큼

자연과학관 – 투수성 포장

1) 초기 조건: -투수율 39% -배수면적: 634㎡ -설계강우량: 98.29742mm/day
2) 침투용량 결정: -초기 10분: 유출량 없음, 전량 침투 -이후: 39% 만큼만 침투 가능
3) 최소 수질처리용량: 100년빈도 강우 – 하수관거 처리량 = (98.297-85.110)mm/hr * 634㎡=8.36m³/hr
4) 투수성포장의 실제 유출 저감량: =634㎡ * (5/6) * 98.29742mm/hr * 0.39+ 634㎡ * (1/6) * 98.29742mm/hr = 30.64m³/hr 따라서 투수성포장면의 유출 저감량이 최소 수질처리용량보다 큼

자연과학관 – 식물재배화분

1) 식물재배화분수질처리용량 관계식 A_f = (WQv)/(d₁+n₁×d₂+T_f×k₁×10^-3)
2) 조건
d₁ : 담수심 깊이(m³)             k₁ : 식재층의 투수속도(mm/hr)
k₂ : 하부토양의 침수속도(mm/hr)  n₁ : 식재토양층의 공극률
d₂ : 식재토양층의 깊이(m)        T_f : 배수시간(hr)
3) 관계식 대입값
A_f = 15.82m * 1.53m = 24.2㎡, d₁ = 0.3m,  k₁= 13mm/hr, n₁ = 0.32, T_f = 2hr
4) 식물재배화분 실제 유출 저감량: 
변수 d₂의 최소값은 0.3m이 때 최소수질처리용량 충족, 따라서 d₂ = 0.5m로 설계
24.2m² = WQv / (0.3m + 0.32 * 0.5m + 2 * 13 * 10^^-3) , WQv = 11.761m³/day = 0.49 ㎥ /hr

자연과학관 – 나무여과상자

1) 나무여과상자 수질처리용량 관계식 A_f =(WQv)/(d₁+n₁×d₂+T_f(k₁+k₂)×10^-3 )
2) 조건
d₁ : 담수심 깊이(m³)             k₁ : 식재층의 투수속도(mm/hr)
k₂ : 하부토양의 침수속도(mm/hr)  n₁ : 식재토양층의 공극률
d₂ : 식재토양층의 깊이(m)        T_f : 배수시간(hr)
3) 관계식 대입값
A_f = (4+8+4)m*2m=㎡, d₁ = 0.3m,  k₁= 13mm/hr, n₁ = 0.32, T_f = 2hr
4) 나무여과상자 실제 유출 저감량: 
변수 d₂의 최소값은 0.5m이 때 최소수질처리용량 충족, 따라서 d₂ = 0.75m로 설계
32m² = WQv / (0.3m + 0.32 * 0.5m + 2 * 13 * 10^^-3) , WQv = 18.112m³/day = 0.775 ㎥ /hr

자연과학관 – 침투통

1) 침투통수질처리용량 관계식 A_f =(WQv)/(d₁+n₁+T_f×k₁×10^-3 )
2) 조건
d₁ : 담수심 깊이(m³)             k₁ : 식재층의 투수속도(mm/hr)
n₁ : 식재토양층의 공극률         T_f : 배수시간(hr)
3) 관계식 대입값
A_f = (9.285+17.111) = 26.396 ㎡, d₁ = 0.3m,  k₁= 13mm/hr, n₁ = 0.32, T_f = 2hr
4) 침투통 실제 유출 저감량: 
26.396 = WQv / (0.3 + 0.32 + 1 * 13 * 10^(-3)), WQv = 16.7m3/day = 0.696㎥ /hr 
따라서 침투통 1개 수질처리용량 = 0.348 ㎥ /hr

조립도

내용

건설공학관

투수성포장


-건설공학관 전 면적에 투수성 포장 적용. 유출수를 침투시켜 물순환 회복에 기여

침투도랑

-건설공학관 주차장 가장자리에 위치한 자투리땅에 침투도랑을 적용

자연과학관

나무여과상자

-주차장의 경계면에 가로수가 설치되어 있어 식생을 활용한 물 정화 후 지하로의 침투에 적합

식물재배화분

-주차장 가장자리에 식물재배화분을 적용. 식물의 오염물질 저감효과를 활용

침투통

-주위 토양지대로 인해 발생한 토사를 방지하기 위해 침투통 적용

부품도

내용

◇ 투수성 포장 시연- 30 x 30 x 30 cm3 수조 사용
   •수조에 모래, 진흙, 자갈, 쇄석 순으로 토양층과 충전층을 쌓은 뒤 투수블럭을 덮어 완성
   •진흙과 자갈 사이에 토목 섬유를 덮어 자갈의 공극이 진흙으로 막히지 않게 하며, 우수의 투수율을 높임

◇ 내부 구조

  •1번: 투수성 포장 공간
  •2번: 토목 섬유로 미세 토양입자가 걸러진 우수가 모이는 공간
  •3번: 관측정 설치로 지하수질 관측 및 투수성 포장 효율(공극) 관측
  •4번: 저류조 설치

◇ 여과층

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입(시연물) 사진

내용

◇ 견본 시연물은 현실성을 고려해 어항인 Cube300에 시연물을 구성 
◇ 투수성 포장이 설치된 지역에는 아래 순서부터 모래, 진흙, 자갈 쇄석이 설치되었음
◇ 투수성 포장과 불투수면 포장간의 유출수 침투율 차이를 구현하기 위해 불투수면 지역 조성
◇ 불투수면 지역에는 불투수성 블록을 설치. 블록 밑은 흙으로 구성.
◇ 주차장 및 주변 공원을 구현하기 위해 자동차 모형 및 잔디
◇ 시연 결과 투수성 포장은 불투수면 포장에 비해 유출수 침투효과가 뛰어남을 확인

LID 설치 후 건축공학관 조감도

LID 설치 후 자연과학관 조감도

포스터

내용

자재소요서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

◇ LID가 지속적으로 유출수량을 처리할 수 있는가?
◇ LID를 다른 학교 및 공공기관에도 적용할 수 있는가?
◇ LID의 주기적인 관리는 이루어지고 있는가?
◇학내 구성원의 설치된 LID 시설에 대한 만족도가 유지되고 있는가?
◇캠퍼스 내 불투수율이 높은 가운데, 지속적으로 투수성 포장이 설치되고 있는가?

특허 출원 내용

내용